数控车床4工位自动回转刀架结构设计毕业实习及毕业论文设计40论文41.docx

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数控车床4工位自动回转刀架结构设计毕业实习及毕业论文设计40论文41

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毕业实习及毕业设计（论文）指导书

适用专业：

机械设计与制造（数控方向）

数控车床4工位自动回转刀架结构设计

摘要--------------------------------------------------------------------------------------------------1

正文--------------------------------------------------------------------------------------------------3

第1章引言--------------------------------------------------------------------------------------3

1.1概述-----------------------------------------------------------3

1.2数控车床自动回转刀架的发展趋势--------------------------------------------------3

1.3刀架的设计准则-------------------------------------------------4

1.4刀架的主要技术参数---------------------------------------------5

第2章数控车床自动回转刀架设计--------------------------------------------------------6

2.1刀架的工作原理--------------------------------------------------6

2.2步进电机的选用--------------------------------------------------7

2.3蜗杆及蜗轮的选用与校核------------------------------------------8

2.3.1选择传动的类型和精度等级--------------------------------------------8

2.3.2选择材料和确定许用应力----------------------------------------------8

2.3.3按接触强度确定主要参数----------------------------------------------8

2.4蜗杆轴的设计---------------------------------------------------10

2.4.1蜗杆轴的材料选择,确定许用应力-------------------------------------10

2.4.2按扭转强度初步估算轴的最小直径------------------------------------11

2.4.3确定各轴段的直径和长度--------------------------------------------11

2.4.4蜗杆轴的校核------------------------------------------------------12

2.4.5键的选取与校核----------------------------------------------------17

2.5蜗轮轴的设计---------------------------------------------------17

2.5.1蜗轮轴的材料选择,确定许用应力-------------------------------------17

2.5.2按扭转强度初步估算轴的最小直径------------------------------------17

2.5.3确定各轴段的直径和长度--------------------------------------------18

2.6中心轴的设计---------------------------------------------------18

2.6.1中轴的材料选择,确定许用应力---------------------------------------18

2.6.2确定各轴段的直径和长度-------------------------------------------------------------------18

2.6.3轴的校核----------------------------------------------------------19

2.7齿盘的设计----------------------------------------------------19

2.7.1齿盘的材料选择和精度等级------------------------------------------19

2.7.2确定齿盘的参数----------------------------------------------------19

2.7.3按接触疲劳强度进行计算--------------------------------------------20

2.8轴承的选用-----------------------------------------------------22

2.8.1轴承的类型--------------------------------------------------------22

2.8.2轴承的游隙及轴上零件的调配----------------------------------------23

2.8.3轴承的配合--------------------------------------------------------23

2.8.4轴承的润滑--------------------------------------------------------23

2.8.5轴承的密封装置----------------------------------------------------23

第3章刀架体的设计------------------------------------------------24

第4章结论--------------------------------------------------------25

致谢-----------------------------------------------------------------26

参考文献-------------------------------------------------------------27

附件清单-------------------------------------------------------------28

摘要

数控车床今后将向中高当发展，中档采用普及型数控刀架配套，高档采用动力型刀架，兼有液压刀架、伺服刀架、立式刀架等品种，预计近年来对数控刀架需求量将大大增加。

数控刀架的发展趋势是：

随着数控车床的发展，数控刀架开始向快速换刀、电液组合驱动和伺服驱动方向发展。

根据加工对象不同，有四方刀架、六角刀架和八（或更多）工位的圆盘式轴向装刀刀架等多种形式。

回转刀架上分别安装四把、六把或更多刀具，并按数控装置的指令换刀。

本部分主要对四工位立式电动刀架的机械设计和应用继电-接触控制系统控制部分的设计。

并对以上部分运用CAXA做图，对电动刀架有更直观的了解。

最后的提出了对电动刀架提出了意见和措施。

关键词：

数控刀架，电动刀架，四工位

ABSTRACT

Numericalcontrollathe,willinthefuturewhenthedevelopmenttotherecentyearsisexpectedtoCNCtoolpostdemandwillincreasegreatly.CNCtoolisthedevelopmenttrendof:

withthedevelopmentofnumericalcontrollathe,numericalcontroltorapidchangeknife,electrohydrauliccombineddriveandservodrivedirection.Accordingtotheprocessingobjectisdifferent,therearefoursquaredisctypeaxialloadingkniferest,andotherforms.Rotarytheinstallationoffour,sixormoretool,andaccordingtothenumericalcontroldeviceofinstructioninknife.Thispartmainlyfourstationverticalelectrictoolrestofmechanicaldesignandapplicationofrelay-contactcontrolsystemcontrolpartofthedesign.AndtheabovepartusingCAXAdochart,theelectrictoolrestmoreintuitiveunderstanding.Theproposedtotheelectrictoolpostputsforwardopinionsandmeasures.

正文

第1章引言

1.1概述

数控车床的刀架是机床的重要组成部分。

刀架用于夹持切削用的刀具，因此其结构直接影响机床的切削性能和切削效率。

在一定程度上，刀架的结构和性能体现了机床的设计和制造技术水平。

随着数控车床的不断发展，刀架结构形式也在不断翻新。

其中按换刀方式的不同，数控车床的刀架系统主要有回转刀架、排式刀架和带刀库的自动换刀装置等多种形式。

传统的车床例如CA6140的刀架上只能装一把刀，换刀的速度慢，换刀后还须重新对刀，并且精度不高，生产效率效率低，不能适应现代化生产的需要，因此有必要对机床的换刀装置进行改进。

自1958年首次研制成功数控加工中心自动换刀装置以来，自动换刀装置的机械结构和控制方式不断得到改进和完善。

自动换刀装置是加工中心的重要执行机构，它的形式多种多样，目前常见的有：

回转刀架换刀，更换主轴头换刀以及带刀库的自动换刀系统。

初步了解了设计题目（电动刀架）及发展概况，设计背景，对刀架有了一些印象，对整理设计思路安排设计时间有很好的辅助作用。

对一些参数的进行了解同时按准则要求来完成设计。

1.2数控车床自动回转刀架的发展趋势

数控刀架的发展趋势是：

随着数控车床的发展，数控刀架开始向快速换刀、电液组合驱动和伺服驱动方向发展。

　　目前国内数控刀架以电动为主，分为立式和卧式两种。

立式刀架有四、六工位两种形式，主要用于简易数控车床；卧式刀架有八、十、十二等工位，可正、反方向旋转，就近选刀，用于全功能数控车床。

另外卧式刀架还有液动刀架和伺服驱动刀架。

电动刀架是数控车床重要的传统结构，合理地选配电动刀架，并正确实施控制，能够有效的提高劳动生产率，缩短生产准备时间，消除人为误差，提高加工精度与加工精度的一致性等等。

另外，加工工艺适应性和连续稳定的工作能力也明显提高：

尤其是在加工几何形状较复杂的零件时，除了控制系统能提供相应的控制指令外，很重要的一点是数控车床需配备易于控制的电动刀架，以便一次装夹所需的各种刀具，灵活方便地完成各种几何形状的加工。

数控刀架的市场分析：

国产数控车床今后将向中高档发展，中档采用普及型数控刀架配套，高档采用动力型刀架，兼有液压刀架、伺服刀架、立式刀架等品种，近年来需要量可达1000～1500台。

 国外数控车床的发展目的在于提高加工精度和缩短制造周期。

实现上述目的之手段是实现机床多功能化和工序工种集成，开发多种多样复合化加工的机种，如增添铣削功能的复合加工车削中心、双主轴多刀塔（双刀塔或四刀塔）数控车床和车削中心、双主轴同步驱动，双刀塔同时进行加工车削中心、五轴联动车铣复合中心、车磨复合加工机床、具有车、铣、镗、磨和激光热处理多种功能的高度复合化的复合加工中心等等。

我国数控车床经过多年的发展，特别是近几年迅速的发展，与国际先进水平的差距在逐年缩小。

对于某些依赖于进口的高档数控车床，如高精度数控车床和车削中心（主轴径跳轴跳≤0.001mm）、适用耐热合金和钛合金零件加工的大功率、高扭矩数控车床和车削中心等等要加强产品开发研究攻关，突破其核心技术。

数控刀架的高、中、低档产品市场数控刀架作为数控机床必需的功能部件，直接影响机床的性能和可靠性，是机床的故障高发点。

这就要求设计的刀架具有具有转位快，定位精度高，切向扭矩大的特点。

它的原理采用蜗杆传动，上下齿盘啮合，螺杆夹紧的工作原理。

1.3刀架的设计准则

我们的设计过程中，本着以下几条设计准则

1）创造性的利用所需要的物理性能

2）控制不需要的物理性能

3）判别功能载荷及其意义

4）预测意外载荷

5）创造有利的载荷条件

6）提高合理的应力分布和刚度

7）重量达到最轻

8）应用基本公式求相称尺寸和最佳尺寸

9）根据性能组合选择材料

10）在储备零件与整体零件之间精心的进行选择

11）进行功能设计以适应制造工艺和降低成本的要求

1.4主要技术参数

（1）最大许用力矩（Nm）Mq100Mx200Ms100

（2）重复定位精度：

（mm）<0.005

（3）电机功率（w）20

（4）电机转速（rpm）125

第2章数控车床自动回转刀架的设计

2.1刀架的工作原理

回转刀架的工作原理为机械螺母升降转位式。

工作过程可分为刀架抬起、刀架转位、刀架定位并压紧等几个步骤。

图2.1为螺旋升降式四方刀架，其工作过程如下：

1刀架抬起当数控系统发出换刀指令后,通过接口电路使电机正转,经传动装置2、驱动蜗杆蜗轮机构1、蜗轮带动丝杆螺母机构8逆时针旋转,此时由于齿盘4、5处于啮合状态，在丝杆螺母机构8转动时，使上刀架体产生向上的轴向力将齿盘松开并抬起,直至两定位齿盘4、5脱离啮合状态,从而带动上刀架和齿盘产生“上台”动作。

2刀架转位当圆套9逆时针转过150°时，齿盘4、5完全脱开，此时销钉准确进入圆套9中的凹槽中，带动刀架体转位。

3刀架定位当上刀架转到需要到位后（旋转90°、180°或270°），数控装置发出的换刀指令使霍尔开关10中的某一个选通,当磁性板11与被选通的霍尔开关对齐后,霍尔开关反馈信号使电机反转,插销7在弹簧力作用下进入反靠盘6地槽中进行粗定位，上刀架体停止转动，电机继续反转，使其在该位置落下，通过螺母丝杆机构8使上刀架移到齿盘4、5重新啮合,实现精确定位。

4刀架压紧刀架精确定位后，电机及许反转，夹紧刀架，当两齿盘增加到一定夹紧力时，电机由数控装置停止反转，防止电机不停反转而过载毁坏，从而完成一次换刀过程。

图2.1螺旋升降式四方刀架

2.2步进电机的选用

许多机械加工需要微量进给。

要实现微量进给，步进电机、直流伺服交流伺服电机都可作为驱动元件。

对于后两者，必须使用精密的传感器并构成闭环系统，才能实现微量进给。

在开环系统中，广泛采用步进电机作为执行单元。

这是因为步进电机具有以下优点：

●直接采用数字量进行控制;

●转动惯量小，启动、停止方便；

●成本低；

●无误差积累；

●定位准确；

●低频率特性比较好；

●调速范围较宽；

采用步进电机作为驱动单元，其机构也比较简单，主要是变速齿轮副、滚珠丝杠副，以克服爬行和间隙等不足。

通常步进电机每加一个脉冲转过一个脉冲当量；但由于其脉冲当量一般较大，如0.01mm，在数控系统中为了保证加工精度，广泛采用步进电机的细分驱动技术。

因为刀架上升、下降各转150°，刀架转位至少需90°，所以蜗轮转的角度ａ=390°由课题要求的刀架选位少于3S。

n≈0.36rs=21.6rmin,为便于计算n取24rmin

蜗轮蜗杆传动比为45

电动机转速n′=i*z1=45

考虑刀架只需小功率驱动，为减少生产成本，选用JD60电动机，其转速为1400rmin，额定功率为60W。

2.3蜗杆及蜗轮的选用与校核

2.3.1选择传动的类型

考虑到传递的功率不大，转速较低，选用2A蜗杆，精度8级，GB10089-88。

2.3.2选择材料和确定许用应力

由《机械基础》表17-4查得蜗杆选用45钢，表面淬火，硬度为45～55HRC，蜗轮齿圈用ZCuSn10P1砂模铸造，为了节约贵重的有色金属，仅齿圈用青铜制造，而轮芯用灰铸铁HT150制造。

由表17-6查得［ð］=15.14mm

2.4.3确定各轴段的直径和长度

根据各个零件在轴上的定位和装拆方案确定轴的形状及直径和长度。

d1=d5同一轴上的轴承选用同一型号，以便于轴承座孔镗制和减少轴承类型。

d5轴上有一个键槽，故槽径增大5%

d1=d5=d1′×（1+5%）=15.89mm,圆整d1=d5=17mm

所选轴承类型为深沟球轴承，型号为6203，B=12mm，D=40mm，

d2起固定作用，定位载荷高度可在（0.07～0.1）d1范围内，

d2=d1+2a=19.38～20.04mm，故d2取20mm

d3为蜗杆与蜗轮啮合部分，故d3=24mm

d4=d2=20mm,便于加工和安装

L1为与轴承配合的轴段，查轴承宽度为12mm，端盖宽度为10mm，

则L1=22mm

L2尺寸长度与刀架体的设计有关，蜗杆端面到刀架端面距离为65mm，

故L2=43mm

L3为蜗杆部分长度L3≥（11+0.06z2）m=21.92mm

圆整L3取30mm

L4取55mm，L5在刀架体部分长度为（12+8）mm，伸出刀架部分通过联轴器与电动机相连长度为50mm，故L5=70mm

两轴承的中心跨度为128mm，轴的总长为220mm

2.4.4蜗杆轴的校核

作用在蜗杆轴上的圆周力

（2-19）

其中d1=28mm

则

径向力

（2-20）

切向力

（2-21）

图2.1轴向受力分析

（2-22）

（2-23）

求水平方向上的支承反力

图2.2水平方向支承力

（2-25）

求水平弯矩,并绘制弯矩图

图2.3水平弯矩图

求垂直方向的支承反力

（2-26）

查文献[9]表2.2—4，

，

，

，

其中

，

，

（2-27）

图2.4垂直方向支承反力

求垂直方向弯矩，绘制弯矩图

图2.5垂直弯矩图

求合成弯矩图，按最不利的情况考虑

（2-28）

图2.6合成弯矩图

计算危险轴的直径

（2-29）

查文献[9]表15—1，材料为

调质的许用弯曲应力

，则

所以该轴符合要求。

2.4.5键的选取与校核

考虑到d5=105%×15.14=15.89mm,实际直径为17mm，所以强度足够

由GB1095-79查得，尺寸b×,毂槽深t1=2.3mm

2.5蜗轮轴的设计

2.5.1蜗轮轴材料的选择，确定需用应力

考虑到轴主要传递蜗轮转矩，为普通中小功率减速传动装置

选用45号钢，正火处理，

，［ðь］-1=55MPa

2.5.2按扭转强度，初步估计轴的最小直径

查文献[9]表15—1，取45号调质刚的许用弯曲应力

，则

由于轴的平均直径为34mm，因此该轴安全。

2.5.3确定各轴段的直径和长度

根据各个零件在轴上的定位和装拆方案确定轴的形状及直径和长度

d1即蜗轮轮芯为68mm

d2为蜗轮轴轴径最小部分取34mm

d3轴段与上刀架体有螺纹联接，牙形选梯形螺纹，根据文献表8-45

取公称直径为d3=44mm，螺距P=12mm，H=6.5mm

查表8-46得，外螺纹小径为31mm

内、外螺纹中径为38mm

内螺纹大径为45mm

内螺纹小径为32mm

旋合长度取55mm

L2尺寸长度为34mm，蜗轮齿宽b2当z1≤3时，b2≤0.75da1=15.6mm

取b2=15mm

2.6中心轴的设计

2.6.1中轴的材料选择,确定许用应力

考虑到轴主要起定位作用，只承受部分弯矩，为空心轴，因此只需校核轴的刚度即可。

选用45号钢，正火处理，

，［ðь］-1=55MPa

2.6.2确定各轴段的直径和长度

根据各个零件在轴上的定位和装拆方案确定轴的形状及直径和长度

d1=15mm,

d2与轴承配合，轴承类型为推力球轴承，型号为51203，d=17mm,d1=19,T=12mm,D=35mm

所以d2=17mm

d3与轴承配合，轴承类型为推力球轴承，型号为51204，

d=25mm,d1=27mm,T=15mm,D=47mm

图2.7中心轴受力图

分配各轴段的长度L1=80mm,L2=93mm,L3=20mm

2.6.3轴的校核

轴横截面的惯性矩

车床切削力F=2KN,E=210GPa

因此

＜［

］

y＜［y］

中心轴满足刚度条件

2.7齿盘的设计

2.7.1齿盘的材料选择和精度等级

上下齿盘均选用45号钢，淬火，180HBS

初选7级精度等级

2.7.2确定齿盘参数

考虑齿盘主要用于精确定位和夹紧，齿形选用三角齿形，上下齿盘由于需相互啮合，参数可相同

当蜗轮轴旋转150°时，上刀架上升5mm，齿盘的齿高取4mm

由

（2-33）

得算式4=（2×1+0.25）m

标准值ha*=1.0,c*=0.25

求出m=1.78mm,取标准值m=2mm

故齿盘齿全高h=（2ha*+c*）m=（2×1+0.25）×2=4.5mm

取齿盘内圆直径d为120mm，

外圆直径为140mm

齿顶高=1×2=2m

齿根高=2.5mm

齿数z=38

齿宽b=10mm

齿厚

齿盘高为5mm

2.7.3按接触疲劳强度进行计算

⑴确定有关计算参数和许用应力

（2-35）

⑵取载荷系数kt=1.5

⑶由文献表9-12取齿宽系数Фd=1.0

⑷由表9-10查得材料的弹性影响系数Ze=189.8

，

取ａ=20°，故ZH=2.5

⑸查图9-34取бHlim1=380

取бHlim2=380

⑹Lh=60×24×1×（8×300×15）

N2=5.18×107

⑺由图9-35查得接触疲劳寿命系数ZN1=1.1，ZN2=1.1

⑻计算